JP5498005B2 - Process for producing alcohols via organic acids - Google Patents

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Description

本発明は、リグノセルロースを湿式酸化法によって直接、有機酸に転換するか、あるいはリグノセルロースを加圧熱水で加水分解処理して得られた広範な糖類(単糖、オリゴ糖、ウロン酸等)を微生物により酢酸発酵して有機酸を得、こうして得られた有機酸をエステル化して水素化分解し、メタノールやエタノール等のアルコール類を合成する技術に関するものである。   The present invention relates to a wide range of saccharides (monosaccharides, oligosaccharides, uronic acids, etc.) obtained by converting lignocellulose directly into an organic acid by a wet oxidation method or hydrolyzing lignocellulose with pressurized hot water. ) By acetic acid fermentation by microorganisms to obtain an organic acid, and the organic acid thus obtained is esterified and hydrocracked to synthesize alcohols such as methanol and ethanol.

エタノールを製造する従来法は、グルコースなどの6炭糖を起点とし、これを酵母Saccharomyces cerevisiaeや細菌Zymomonas mobilisによって発酵させる方法である(式I参照)。   A conventional method for producing ethanol is a method in which a 6-carbon sugar such as glucose is used as a starting point, and this is fermented by yeast Saccharomyces cerevisiae or bacteria Zymomonas mobilis (see Formula I).

酵母や細菌によるグルコースからのエタノール発酵

Figure 0005498005
Ethanol fermentation from glucose by yeast and bacteria
Figure 0005498005

これに対し、リグノセルロースを湿式酸化法でギ酸や酢酸等の有機酸に転換、あるいはリグノセルロースを加圧熱水で加水分解処理して得られた広範な糖類(単糖、オリゴ糖、ウロン酸等)を微生物により酢酸発酵して有機酸を得た上で、これをアルコールと反応させてエステル化し、次いで同エステルを触媒存在下で高温高圧で水素化分解させてアルコール類を合成する方法がある。酢酸をエステル化した後、更にこれを水素化分解してエタノールを合成する場合の例を式II、III、IVに示す。   In contrast, lignocellulose is converted to organic acids such as formic acid and acetic acid by wet oxidation, or a wide range of saccharides (monosaccharides, oligosaccharides, uronic acids) obtained by hydrolyzing lignocellulose with pressurized hot water. Etc.) by acetic acid fermentation by microorganisms to obtain an organic acid, which is reacted with alcohol to esterify, and then the ester is hydrocracked at high temperature and high pressure in the presence of a catalyst to synthesize alcohols. is there. Examples in the case of synthesizing ethanol after esterifying acetic acid and then hydrocracking it are shown in formulas II, III and IV.

セルロース[C6H10O5]n を加水分解してグルコースC6H12O6を得た場合グルコースの酢酸発酵

Figure 0005498005
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Figure 0005498005
Acetic acid fermentation of glucose when cellulose [C 6 H 10 O 5 ] n is hydrolyzed to give glucose C 6 H 12 O 6
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上記の通り、酵母によるエタノール発酵の場合は1モルのグルコースから2モルのエタノールしか生成できないのに対し、リグノセルロースを酢酸に転換する場合は1モルのグルコースから3モルのエタノールが生成できる。また、前者では副産物として二酸化炭素が放出されるのに対し、後者ではそれがない。これらの点から、グルコースを酢酸に転換し、その後は化学的にエタノールを合成する“間接転換バイオエタノール技術”が注目されている。   As described above, in the case of ethanol fermentation with yeast, only 2 mol of ethanol can be produced from 1 mol of glucose, whereas when lignocellulose is converted to acetic acid, 3 mol of ethanol can be produced from 1 mol of glucose. In the former, carbon dioxide is released as a by-product, whereas in the latter it is not. From these points, “indirect conversion bioethanol technology”, in which glucose is converted to acetic acid and then ethanol is chemically synthesized, has attracted attention.

近年、植物系バイオマスを中心とするリグノセルロース資源をその主要構成単位であるグルコースまで加水分解し、これを起点としてエタノールや乳酸等、様々なバイオファイナリを生産する研究が進められている。地球上で最も多量に存在し、エタノール製造への高いポテンシャルを有しているにも拘わらず、その利用が遅々として進展しないのは、以下のような理由によるものと考えられる。   In recent years, research on hydrolyzing lignocellulosic resources, mainly plant-based biomass, to glucose, which is the main constituent unit, and producing various biofinals such as ethanol and lactic acid has been promoted. Although it is present in the largest amount on earth and has a high potential for ethanol production, the reason why its use does not progress slowly is considered to be as follows.

まず第1の問題はリグノセルロースからの糖生産にある。リグノセルロースの酸加水分解で得られる糖は、5および6炭糖などの単糖やそれらのオリゴ糖(セロオリゴ糖やキシロオリゴ糖)、さらにはヘミセルロースの1つであるキシランの酸性糖残基、ウロン酸など、様々であるが、従来の酵母Saccharomyces cerevisiaeや細菌Zymomonas mobilisではこれらのうち、6炭糖しかエタノールに転換できない。従ってオリゴ糖に対しては、セルラーゼやキシラナーゼによる単糖への転換が必要となり、セルラーゼの機能と発酵の機能を兼ね備えたアーミング酵母が開発されているが一般的ではない。また、遺伝子組み替え技術により、5炭糖のエタノール転換も検討されているが、その安定性や自然界への影響などを配慮しなければならず、多くの課題を含んでいる。結果として、単純な酸糖化プロセスでの発酵可能な糖類は6炭糖のみに限定され、従ってその収率には限界がある。   The first problem is sugar production from lignocellulose. The sugars obtained by acid hydrolysis of lignocellulose are monosaccharides such as 5 and 6 carbon sugars, their oligosaccharides (cellooligosaccharides and xylooligosaccharides), and the acidic sugar residue of xylan, one of hemicelluloses, uron Although there are various types of acids, the conventional yeast Saccharomyces cerevisiae and the bacterium Zymomonas mobilis can convert only 6 carbon sugars to ethanol. Therefore, an oligosaccharide needs to be converted into a monosaccharide by cellulase or xylanase, and an arming yeast having a cellulase function and a fermentation function has been developed, but it is not general. In addition, ethanol conversion of pentose is also being studied by genetic recombination technology, but its stability and impact on the natural world must be taken into account, and it involves many problems. As a result, the fermentable saccharides in a simple acid saccharification process are limited to only 6 carbon sugars and therefore their yield is limited.

第2の問題は、誰もが当然と考えてきたエタノール発酵にある。下式(V)に示すように1モルのグルコースからは2モル当量のエタノールと、副産物として2モル当量の二酸化炭素を排出する。二酸化炭素はカーボンニュートラルであるが、6炭糖の6個の炭素のうち、4個の炭素しかエタノールに転換されていない。従ってこの方法は、温室効果ガス削減の観点からも決して望ましいプロセスではない。

Figure 0005498005
The second problem lies in ethanol fermentation that everyone has taken for granted. As shown in the following formula (V), 2 mol equivalent of ethanol and 2 mol equivalent of carbon dioxide as a by-product are discharged from 1 mol of glucose. Carbon dioxide is carbon neutral, but only 4 of the 6 carbons of 6 carbon sugars have been converted to ethanol. Therefore, this method is not a desirable process from the viewpoint of reducing greenhouse gases.
Figure 0005498005

5炭糖では下記式(VI)に示す如く、5個の炭素のうち、さらに少ない3.3個の炭素しかエタノールに転換できないことを考えると、遺伝子組み替え技術そのものの必要性が疑問視されなければならない。

Figure 0005498005
In the case of 5-carbon sugar, as shown in the following formula (VI), considering that only 3.3 carbons out of 5 carbons can be converted to ethanol, the necessity of genetic recombination technology must be questioned. .
Figure 0005498005

これらの問題点を整理してみると、リグノセルロースからのエタノール生産は、たとえ遺伝子組み替え技術や、陰イオン交換樹脂を用いた最先端のカラム分離による硫酸回収、さらにはゼオライトを用いた膜分離によるエタノール濃縮などを駆使しても、現在報告されている最高のエネルギー効率40%を上回ることはほぼ絶望的であり、革新的技術の導入なしにデンプンや糖蜜からのエタノール生産に優る技術をリグノセルロースに対して期待することはできない。   To summarize these problems, ethanol production from lignocellulose is based on gene recombination technology, sulfuric acid recovery by state-of-the-art column separation using anion exchange resin, and membrane separation using zeolite. Even using ethanol concentration, it is almost hopeless to exceed the highest reported energy efficiency of 40%, and lignocellulose has a technology superior to ethanol production from starch and molasses without introducing innovative technology. Can not expect.

このような考えの下、本発明者らは現状のエネルギー効率40%超えを可能にするため、酢酸を含む有機酸のエステル化およびその水素化分解を柱とする新規なエタノール生産プロセスを提案する。酢酸をエステル化した後、同エステルを水素化分解してエタノールを合成するプロセスは既に提案されている(特許文献1参照)。しかし、これは以下の課題(i)(ii)を抱えている。   Based on this idea, the present inventors propose a novel ethanol production process based on esterification of an organic acid containing acetic acid and its hydrocracking in order to enable the current energy efficiency to exceed 40%. . A process for synthesizing ethanol by esterifying acetic acid and then hydrocracking the ester has already been proposed (see Patent Document 1). However, this has the following problems (i) and (ii).

(i)Clostridium属細菌は、60℃前後を至適温度とし、糖などの基質から酢酸だけを生成する嫌気性のホモ型発酵菌である。しかし、それ自身が生成した酢酸への耐性は1%程度と低いことが問題である。対策として、発酵槽内を60℃で減圧条件にすることで、培養液中から酢酸を水とともに連続留去して酢酸を回収することで酢酸濃度を1%以下に保つことも可能であるが、酢酸の沸点は水よりも高い118℃であることから、本法が効率でないことは否定できない。また、アルカリ塩類添加によって酢酸を塩として分離・回収することを目指すにも、培養液中の酢酸濃度が1%程度であるため、この方法も効率的ではない。 (i) Clostridium bacteria are anaerobic homofermentative bacteria that produce only acetic acid from a substrate such as sugar at an optimum temperature of around 60 ° C. However, the problem is that resistance to acetic acid produced by itself is as low as 1%. As a countermeasure, it is possible to keep acetic acid concentration below 1% by reducing acetic acid inside the fermenter at 60 ° C and continuously distilling acetic acid together with water from the culture solution. Since the boiling point of acetic acid is 118 ° C., which is higher than that of water, it cannot be denied that this method is not efficient. Also, in order to separate and recover acetic acid as a salt by adding alkali salts, this method is not efficient because the concentration of acetic acid in the culture solution is about 1%.

(ii)特許文献1には石油精製工程由来の水素、水の電気分解、バイオマスの水蒸気ガス化など、公知の水素製造法が挙げられているのみである。コスト面では石油精製工程の副産物である水素が最も安価だが、化石燃料由来の水素を用いるという点では“バイオエタノール”のコンセプトには合致しない。
特表2002-537848号公報
(ii) Patent Document 1 only mentions known hydrogen production methods such as electrolysis of hydrogen derived from petroleum refining processes, water electrolysis, and steam gasification of biomass. In terms of cost, hydrogen, which is a byproduct of the oil refining process, is the cheapest, but it does not match the concept of “bioethanol” in that it uses hydrogen derived from fossil fuels.
Special table 2002-537848 gazette

本発明者らは、上記のような諸問題を解決することができるアルコール類の製造方法を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a method for producing alcohols that can solve the above problems.

本発明は、リグノセルロースを湿式酸化法によって、または微生物を用いて有機酸に転換し、この有機酸をエステル化し、次いでこのエステルを水素化分解することでアルコール類を製造することを特徴とするアルコール類の製造方法である。   The present invention is characterized in that lignocellulose is converted into an organic acid by a wet oxidation method or using a microorganism, the organic acid is esterified, and then the ester is hydrocracked to produce an alcohol. This is a method for producing alcohols.

まず、リグノセルロースを湿式酸化法によって有機酸に転換する場合について、説明する。   First, the case where lignocellulose is converted into an organic acid by a wet oxidation method will be described.

草本や木本植物の主要構成分であるリグノセルロースを140〜400℃の加圧熱水で加水分解処理し、ギ酸、乳酸、酢酸などの有機酸を得、これらをエステル化し、次いでこのエステルを水素化分解を経由してメタノールやエタノール等のアルコール類を製造する。   Hydrolysis of lignocellulose, which is the main constituent of herbs and woody plants, is hydrolyzed with pressurized hot water at 140 to 400 ° C to obtain organic acids such as formic acid, lactic acid, and acetic acid. Alcohols such as methanol and ethanol are produced via hydrogenolysis.

また、バイオマスを0.3M以上のアルカリ性の高温高圧水中で、例えば130〜350℃の範囲の比較的穏やかな条件で、湿式酸化反応させることによって、高い転換率(特にグルコースを対象とした場合、炭素ベースで75%)で、ギ酸に転換できる。こうしてリグノセルロースから高収率でギ酸を得ることができる。また、バイオマスの超・亜臨界水処理に過酸化水素を使用することでより選択的にギ酸が生成されることができる(特開2007−39368号公報参照)。   In addition, the biomass is subjected to a wet oxidation reaction in an alkaline high-temperature and high-pressure water of 0.3 M or higher under a relatively mild condition, for example, in the range of 130 to 350 ° C. 75%) and can be converted to formic acid. Thus, formic acid can be obtained from lignocellulose in a high yield. Further, formic acid can be more selectively produced by using hydrogen peroxide for the super-subcritical water treatment of biomass (see JP 2007-39368 A).

有機酸が酢酸である場合、従来では酢酸とエタノールを同モル比で混合してエステル化するが、酢酸とエタノールの他に硫酸等が触媒として必要である。しかし、同様に酢酸とエタノールを混合し、超臨界温度付近で処理すると、無触媒でもエステル化反応が進み、酢酸エチルが合成される。これにより、エステル化産物(酢酸エチル)と硫酸の分離工程が不用、あるいは、硫酸の回収・再利用のコストが不用となる、更には反応容器の(硫酸による)腐蝕が回避できる等の利点が生じる。   When the organic acid is acetic acid, conventionally, acetic acid and ethanol are mixed at the same molar ratio for esterification, but sulfuric acid or the like is required as a catalyst in addition to acetic acid and ethanol. However, if acetic acid and ethanol are similarly mixed and treated near the supercritical temperature, the esterification proceeds without catalyst and ethyl acetate is synthesized. This eliminates the need to separate the esterification product (ethyl acetate) and sulfuric acid, eliminates the cost of recovery and reuse of sulfuric acid, and avoids corrosion of the reaction vessel (due to sulfuric acid). Arise.

有機酸がギ酸である場合、従来法ではギ酸とメタノールを同モル比で混合してエステル化するが、ギ酸とメタノールの他に硫酸等が触媒として必要である。しかし、同様にギ酸とメタノールを混合し、超臨界温度付近で処理すると、無触媒でもエステル化反応が進みギ酸メチルが合成される。これにより、エステル化産物(ギ酸メチル)と硫酸の分離工程が不用、あるいは、硫酸の回収・再利用のコストが不用となる、更には反応容器の(硫酸による)腐蝕が回避できる等の利点が生じる。   When the organic acid is formic acid, in the conventional method, formic acid and methanol are mixed in the same molar ratio for esterification, but sulfuric acid or the like is required as a catalyst in addition to formic acid and methanol. However, when formic acid and methanol are mixed in the same manner and treated at around the supercritical temperature, the esterification proceeds without the catalyst and methyl formate is synthesized. This eliminates the need to separate the esterification product (methyl formate) and sulfuric acid, eliminates the cost of recovery and reuse of sulfuric acid, and avoids corrosion (due to sulfuric acid) of the reaction vessel. Arise.

つぎに、リグノセルロースを微生物を用いて有機酸に転換する場合について、説明する。   Next, a case where lignocellulose is converted into an organic acid using a microorganism will be described.

この場合、リグノセルロースを脱リグニン処理し、得られたホロセルロースを低温と高温の二段加圧熱水法で加水分解し、得られた5炭糖、6炭糖、それらのオリゴ糖、ウロン酸、およびリグニン由来の物質を、これらを資化できるClostridium属の嫌気性ホモ型酢酸発酵菌によって、酢酸まで転換する。ホロセルロースを単糖まで加水分解する必要がないため、加圧熱水による加水分解が有効である。   In this case, lignocellulose is delignified, and the resulting holocellulose is hydrolyzed by low-temperature and high-temperature two-stage pressurized hydrothermal method, and the resulting 5-carbon sugar, 6-carbon sugar, their oligosaccharides, uron Acids and lignin-derived materials are converted to acetic acid by anaerobic homoacetic acetic acid fermentation bacteria of the genus Clostridium that can assimilate them. Since it is not necessary to hydrolyze holocellulose to monosaccharides, hydrolysis with pressurized hot water is effective.

嫌気性ホモ型酢酸発酵菌によって酢酸に転換される物質は、通常は、リグノセルロースの脱リグニン処理により得られたホロセルロースを低温と高温の二段加圧熱水法で加水分解して得られた5炭糖、6炭糖、それらのオリゴ糖、ウロン酸、およびリグニン由来の物質であるが、その内の5炭糖、6炭糖、それらのオリゴ糖、ウロン酸であってもよい。   Substances that can be converted to acetic acid by anaerobic homoacetic acid-fermenting bacteria are usually obtained by hydrolyzing holocellulose obtained by delignification of lignocellulose using a low-temperature and high-temperature two-stage pressurized hydrothermal method. In addition, pentoses, hexoses, their oligosaccharides, uronic acids, and lignin-derived substances, among them, pentoses, hexoses, their oligosaccharides, and uronic acids may be used.

上記方法において、セルロースを基質としうる嫌気性ヘテロ型酢酸発酵菌によって、セルロースやそれを構成するオリゴ糖を6炭糖へと変換し、さらに酢酸、ギ酸、乳酸へと変換すると共に、ここにギ酸および/または乳酸を酢酸に変換しうる嫌気性ホモ型酢酸発酵菌を共生させることによって、より高効率でセルロースを酢酸へと変換しうるようにすることも好ましい。   In the above method, anaerobic hetero acetic acid-fermenting bacteria that can use cellulose as a substrate converts cellulose and oligosaccharides constituting it into hexose, and further converts into acetic acid, formic acid, and lactic acid. It is also preferable to allow cellulose to be converted into acetic acid with higher efficiency by symbiosis with anaerobic homoacetic acid-fermenting bacteria capable of converting lactic acid into acetic acid.

加圧熱水法で加水分解される物質は、通常は、リグノセルロースを脱リグニン処理して得られたホロセルロースであるが、脱リグニン処理を施してないリグノセルロースであってもよい。   The substance hydrolyzed by the pressurized hydrothermal method is usually holocellulose obtained by subjecting lignocellulose to delignification, but may be lignocellulose not subjected to delignification.

より詳しくは、リグノセルロースを予め過酢酸や酢酸などの有機酸により脱リグニン処理し、次いで残ったホロセルロース(セルロース+へミセルロース)を加圧熱水法で加水分解し、単糖(6炭糖および5炭糖)やそれらのオリゴ糖(セロオリゴ糖、キシロオリゴ糖など)およびウロン酸等を含む加水分解物を得て、更にはこれらを資化できるClostridium属の嫌気性ホモ型酢酸発酵菌によって、加水分解物を酢酸発酵させることによって、酢酸まで転換する。   More specifically, lignocellulose is delignified with an organic acid such as peracetic acid or acetic acid in advance, and then the remaining holocellulose (cellulose + hemicellulose) is hydrolyzed by a pressurized hydrothermal method to obtain a monosaccharide (6 charcoal). Sugars and pentoses) and their hydrolysates containing oligosaccharides (cello-oligosaccharides, xylooligosaccharides, etc.) and uronic acid, etc. The hydrolyzate is converted to acetic acid by fermenting with acetic acid.

過酢酸は有機酸であるため、硫酸のようにリグニンの重縮合化つまり巨大分子化を招く度合いは低く、比較的低分子化された状態でリグニンを分離・回収できる。これにより、リグニンを熱源としてサーマルリサイクルするのではなく、より付加価値の高いポリマー原料等として有効利用することが可能となる。また、脱リグニン工程で使用し、ホロセルロース側に残留した過酢酸や酢酸は、そのまま次の加圧熱水工程において触媒として働き、ホロセルロースの加水分解効率を大幅に向上させるだけでなく、その後の発酵工程で得られる酢酸とともに、エタノールへと変換される。   Since peracetic acid is an organic acid, the degree of inducing polycondensation of lignin, that is, macromolecularization, like sulfuric acid is low, and lignin can be separated and recovered in a relatively low molecular state. This makes it possible to effectively use the lignin as a heat source and not as a polymer material having higher added value. In addition, peracetic acid and acetic acid used in the delignification process and remaining on the holocellulose side act as a catalyst in the next pressurized hot water process as it is, and not only greatly improve the hydrolysis efficiency of holocellulose, but also Together with acetic acid obtained in the fermentation process.

次に、本発明を脱リグニン処理無しと有りの場合についてより詳しく説明する。   Next, the present invention will be described in more detail with and without delignification treatment.

稲藁やバガスあるいは針葉樹を主とする建築廃材を5mm粒径程度まで粉砕した後、水を加えて1〜5%のリグノセルローススラリーとする。このリグノセルロースに脱リグニン処理を施さず加圧熱水処理を施した場合、リグニンの一部はフェニルプロパン(C3-C6)構成単位にまで加水分解され、その残基のプロピル側鎖からは酢酸などの有機酸が生成できる。これを分離・回収すれば酢酸などの有機酸収率の向上が期待できる。   After pulverizing the construction waste mainly consisting of rice straw, bagasse or conifers to a particle size of about 5mm, water is added to form a 1-5% lignocellulose slurry. When this lignocellulose is subjected to pressurized hydrothermal treatment without delignification treatment, part of the lignin is hydrolyzed to phenylpropane (C3-C6) structural units, and acetic acid is removed from the propyl side chain of the residue. Organic acids such as can be produced. If this is separated and recovered, the yield of organic acids such as acetic acid can be improved.

リグノセルロースに脱リグニン処理を施し、残ったホロセルロースを糖に転換する工程では、まず過酢酸をリグノセルローススラリー中、1〜5%の濃度になるよう添加して90℃下で30〜60分間、リグノセルロースを蒸解する。これにより、低分子化されにくいグアイアシル型リグニンから構成される針葉樹リグニンが殆ど除去される(広葉樹リグニンの場合、脱リグニンは針葉樹に比べて容易で、同濃度の過酢酸なら90℃下で15〜20分間程度の蒸解で除去可能)。一方、酢酸を用いる場合、90%濃度の酢酸中、180℃で3〜4時間、蒸解を行うことで脱リグニン率90%以上となる(出典:木材成分総合利用研究成果集、1990年)。このような方法で低分子化されて溶解したリグニンは黒液として固形分(ホロセルロース)と分離され、水分を除いた後、ポリマー原料等として活用できる。また、リグノセルロースを脱リグニン処理し、得られたリグニンをフェニルプロパン(C3-C6)構成単位に加水分解し、その残基のプロピル側鎖から直接、酢酸などの有機酸を生成することも可能である。なお、ここでホロセルロースとは、セルロースと残存ヘミセルロースからなる炭水化物を意味しており、本来のホロセルロースの定義におけるリグノセルロース中に含まれるすべてのヘミセルロースを必ずしも意味していない。   In the process of delignifying lignocellulose and converting the remaining holocellulose to sugar, first, peracetic acid is added to the lignocellulose slurry to a concentration of 1 to 5% and then at 90 ° C. for 30 to 60 minutes. Cook lignocellulose. As a result, most of the coniferous lignin composed of guaiacyl-type lignin which is not easily reduced in molecular weight is removed (in the case of hardwood lignin, delignification is easier than coniferous, and 15 to Can be removed by cooking for about 20 minutes). On the other hand, in the case of using acetic acid, the delignification rate is 90% or more by cooking at 180 ° C for 3-4 hours in 90% concentration of acetic acid (Source: Wood Component Integrated Research Results, 1990). The lignin that has been reduced in molecular weight and dissolved by such a method is separated from the solid content (holocellulose) as a black liquor, and can be used as a polymer raw material after removing moisture. It is also possible to delignify lignocellulose, hydrolyze the resulting lignin to phenylpropane (C3-C6) structural units, and generate organic acids such as acetic acid directly from the propyl side chain of the residue It is. Here, holocellulose means a carbohydrate composed of cellulose and residual hemicellulose, and does not necessarily mean all hemicelluloses contained in lignocellulose in the original definition of holocellulose.

こうしてリグニンと分離したホロセルロースに連続通水式で140〜230℃の前段加圧熱水を通水するとへミセルロース構成糖が、次いで230℃〜300℃の後段加圧熱水を通水するとセルロース構成糖が分離回収できる。また、バッチ式処理の場合、脱リグニン工程で使用し、ホロセルロース側に残留した過酢酸はそのままこの加圧熱水処理において触媒として働き、より低い温度と処理時間での加水分解が可能となるのみならずグルコース収率の向上が可能となる(バッチ式処理時には特に効果的)。具体的な効果は、表1に示す通りである。

Figure 0005498005
When the first-stage pressurized hot water of 140 to 230 ° C. is passed through the holocellulose separated from the lignin in this manner, the hemicellulose constituting sugar is passed, and then the second-stage pressurized hot water of 230 ° C. to 300 ° C. is passed. Cellulose constituent sugar can be separated and recovered. In the case of batch type treatment, peracetic acid used in the delignification step and remaining on the holocellulose side acts as a catalyst in this pressurized hot water treatment as it is, and hydrolysis at a lower temperature and treatment time becomes possible. In addition, the glucose yield can be improved (particularly effective during batch processing). Specific effects are as shown in Table 1.
Figure 0005498005

なお、予め有機酸で脱リグニンする目的は、前述した通り、リグニンを重縮合させないことでポリマー原料等、高付加価値化を図ることのほか、もしもリグニン由来の分解物が後の微生物による酢酸発酵を阻害する場合、その阻害因子を事前に取り除く点にある。   The purpose of delignification with organic acid in advance is to increase the added value of the polymer raw material by not polycondensing lignin as described above, and if the degradation product derived from lignin is later acetic acid fermentation by microorganisms Inhibiting the inhibitory factor is to remove the inhibitory factor in advance.

過酢酸や酢酸で脱リグニンしたホロセルロースを加圧熱水により加水分解処理する工程を伴う本発明は、特に木質系バイオマスからのエタノール製造に特化し、かつ実用面を重視したものである。従来の酵母発酵(C6糖⇒エタノール)とは異なる間接バイオエタノールプロセス(広範糖類およびリグニンの一部⇒酢酸⇒エタノール)の効果を最大限に引き出すため、単糖が得られる酵素糖化法ではなく、加圧熱水による加水分解、その後に続く断片化反応により、ギ酸、乳酸、酢酸等の有機酸を、あるいは単糖を含むオリゴ糖やウロン酸を得ることを想定している。また、加水分解温度さらには断片化反応温度の低減、その後の有効活用を視野に入れ、過酢酸および酢酸を触媒として使用することも大きな特徴である。   The present invention involving a process of hydrolyzing holocellulose delignified with peracetic acid or acetic acid with pressurized hot water is particularly specialized in ethanol production from woody biomass and emphasizes practical aspects. In order to maximize the effects of indirect bioethanol process (partial sugars and part of lignin ⇒ acetic acid ⇒ ethanol) different from conventional yeast fermentation (C6 sugar ⇒ ethanol), instead of the enzymatic saccharification method that yields monosaccharides, It is assumed that an organic acid such as formic acid, lactic acid or acetic acid, or an oligosaccharide or uronic acid containing a monosaccharide is obtained by hydrolysis with pressurized hot water and subsequent fragmentation reaction. Another major feature is the use of peracetic acid and acetic acid as a catalyst with a view to reducing the hydrolysis temperature and further the fragmentation reaction temperature, and effective utilization thereafter.

ホロセルロースをバッチ式で加圧熱水処理する場合、特開2005-40025号公報に記載のキノン類化合物、特にp-ベンゾキノンを反応系に添加することで、オリゴ糖類の還元末端やグルコースの分解断片化などの副反応(2次分解)を有効に抑えてホロセルロースの加水分解をさらに促進し、グルコースなどの糖類の収率を著しく高めることができる。キノン化合物の添加量は、全反応系に対して0.05〜1wt%の範囲が最も好ましい。   When batch-type pressurized hydrothermal treatment is performed on holocellulose, the quinone compounds described in JP-A-2005-40025, particularly p-benzoquinone, are added to the reaction system to reduce oligosaccharide reducing ends and glucose. By effectively suppressing side reactions (secondary decomposition) such as fragmentation, hydrolysis of holocellulose can be further promoted, and the yield of sugars such as glucose can be significantly increased. The addition amount of the quinone compound is most preferably in the range of 0.05 to 1 wt% with respect to the total reaction system.

基本的に、特許文献1等に記載の6炭糖や5炭糖の単糖を起点とするホモ型酢酸発酵細菌Clostridium thermoaceticum、あるいは乳酸を起点とするホモ型乳酸発酵細菌のClostridium formicoaceticumの培養法およびその代謝経路(下記反応式(VII)、(VIII)、(IX)参照)を使用する。Clostridium属細菌は広範な糖類を資化する能力を備えており、6炭糖および5炭糖のオリゴ糖(セロオリゴ糖、キシロオリゴ糖など)、あるいはウロン酸をも酢酸に転換し得る。従って従来の酵母などによるエタノール発酵に比べ、格段に多くの糖基質が遺伝子組み替え技術を駆使することなく、酢酸へと転換され得ることになる。前工程の加圧熱水処理でホロセルロースを単糖ではなく、オリゴ糖まで加水分解すれば十分、あるいは単糖と混在していても問題なく、ひいてはホロセルロースを高価な酵素(セルラーゼ)を使用して全て単糖にまで糖化する必要もない。

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Basically, a culture method of Clostridium thermoaceticum, a homo-acetic acid-fermenting bacterium starting from hexose or pentose monosaccharide described in Patent Document 1 or Clostridium formicoaceticum, starting from lactic acid. And its metabolic pathway (see the following reaction formulas (VII), (VIII), (IX) ). Clostridium bacteria have the ability to assimilate a wide range of sugars, and can convert 6- and 5-carbon oligosaccharides (such as cellooligosaccharides and xylooligosaccharides) or uronic acid into acetic acid. Therefore, much more sugar substrates can be converted to acetic acid without using gene recombination technology as compared with conventional ethanol fermentation using yeast or the like. It is sufficient to hydrolyze holocellulose to oligosaccharide instead of monosaccharide in the pressurized hydrothermal treatment in the previous step, or even if it is mixed with monosaccharide, there is no problem, and holocellulose is used with expensive enzyme (cellulase) Thus, it is not necessary to saccharify all the way to monosaccharides.
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エステル化および水素化分解工程 特表2002−537848号公報等に記載の公知の方法に順ずる(下記反応式(X)、(XI)、(XII)、(XIII)参照)。なお、(X)および(XII)のエステル化工程は、後述する実施例3の通り、超臨界水を用いることで無触媒で行うことも可能である。

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Esterification and hydrocracking step This is in accordance with a known method described in JP 2002-537848 A (see the following reaction formulas (X), (XI), (XII), (XIII)). In addition, the esterification process of (X) and (XII) can also be performed without a catalyst by using supercritical water as Example 3 mentioned later.
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リグノセルロースを加圧熱水処理する前にこれを過酢酸等の有機酸で脱リグニン処理することで、リグニンを重縮合させず低分子化した状態で回収でき、高分子ポリマー原料等として用いて高付加価値化を図ることができる上に、リグニン由来の分解物が後の微生物による酢酸発酵を阻害する場合、その阻害因子を事前に取り除くことができる。   The lignocellulose can be recovered in a low molecular weight state without polycondensation by subjecting it to delignification treatment with an organic acid such as peracetic acid before being subjected to pressurized hot water treatment. In addition to achieving high added value, when the lignin-derived degradation product inhibits acetic acid fermentation by microorganisms later, the inhibitory factor can be removed in advance.

リグノセルロースを脱リグニン処理することで、リグノセルロースからホロセルロース(セルロース+へミセルロース)だけを回収することができ、これを加圧熱水処理すればリグニン由来の熱分解物が混入しない糖液が得られる。   By delignining lignocellulose, it is possible to recover only holocellulose (cellulose + hemicellulose) from lignocellulose. If this is treated with pressurized hot water, the lignin-derived pyrolysis product is not mixed. Is obtained.

リグノセルロースを脱リグニン処理することで、ホロセルロースを包埋するリグニンが存在しないので、加圧熱水による加水分解効率が向上する。   By subjecting lignocellulose to delignification, since there is no lignin embedding holocellulose, hydrolysis efficiency with pressurized hot water is improved.

ホロセルロース側に残留した過酢酸等の有機酸は、加圧熱水処理において触媒として働き、ホロセルロースの加水分解効率を向上させることができる。   The organic acid such as peracetic acid remaining on the holocellulose side works as a catalyst in the pressurized hot water treatment, and can improve the hydrolysis efficiency of the holocellulose.

ホロセルロースを加圧熱水法で加水分解する際、キノン化合物を添加することにより、ホロセルロースの加水分解を促進され、かつ糖類の熱分解を抑制して糖収率を向上することができる。   When hydrolyzing holocellulose by a pressurized hydrothermal method, by adding a quinone compound, hydrolysis of holocellulose can be promoted, and thermal decomposition of saccharides can be suppressed to improve sugar yield.

つぎに、本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例を挙げる。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。   Next, in order to describe the present invention specifically, examples of the present invention will be given. However, the present invention is not limited to these.

[実施例1]
加圧熱水によるリグノセルロースの加水分解
広葉樹のブナを粉砕した木粉(18メッシュ通過)をエタノール:ベンゼン(1:2)混合液で処理し、105 °Cオーブンで24時間、乾燥した後に使用した。ヘミセルロース、セルロースをそれぞれ選択的、効率的に加水分解するそれぞれの処理条件を検討するため、図1に示す半流通型の2段階加圧熱水処理装置を用いて、ブナ木粉(1.0 g)を種々の処理温度(170、190、210、230、250、270、290℃)で1段階加圧熱水処理(10 ml / 分)を15分間行った。圧力は10 MPa(一定)に設定した。この装置では、2つの予熱ヒーター(Heater-1および2)により別々に加熱された加圧熱水を、バルブの切り替えによって順次反応管に送り込むことが可能で、これによりブナ木粉(1.0 g)を異なる温度条件での連続的な2段階の加圧熱水処理(10 ml / 分)を効率的に行え、冷却管を用いて反応を停止する。外部冷却であるため可溶化物が希釈されず、比較的高濃度で生成物(糖類)を回収することができる。
[Example 1]
Hydrolysis of lignocellulose with pressurized hot water Treated hardwood beech wood flour (through 18 mesh) with ethanol: benzene (1: 2) mixture, dried in 105 ° C oven for 24 hours and used did. In order to study each treatment condition for selectively and efficiently hydrolyzing hemicellulose and cellulose, using a semi-circulating two-stage pressurized hot water treatment apparatus shown in FIG. 1, beech wood flour (1.0 g) One-stage pressurized hot water treatment (10 ml / min) was performed for 15 minutes at various treatment temperatures (170, 190, 210, 230, 250, 270, 290 ° C.). The pressure was set to 10 MPa (constant). In this device, pressurized hot water heated separately by two preheater heaters (Heater-1 and 2) can be fed sequentially into the reaction tube by switching the valve, which makes beech wood flour (1.0 g) The two-stage pressurized hot water treatment (10 ml / min) can be efficiently performed under different temperature conditions, and the reaction is stopped using a cooling tube. Because of external cooling, the solubilized product is not diluted, and the product (saccharide) can be recovered at a relatively high concentration.

図2に各処理温度における(A)キシロオリゴ糖およびキシロース、(B)セロオリゴ糖およびグルコース、(C)フルフラールおよび(D)5-ヒドロキシメチルフルフラール(5-HMF)の生成量を示す。ブナ木粉の主要ヘミセルロース成分であるキシラン由来のキシロオリゴ糖およびキシロースは230℃で、セルロース由来のセロオリゴ糖およびグルコースは270℃で最高収量を得た。また、ヘミセルロース由来の五炭糖の過分解物と考えられるフルフラールは、230℃を超えると生成量が急激に増加し、セルロース由来の六炭糖の過分解物と考えられる5-HMFの生成量は250℃を超えると増加した。   FIG. 2 shows the production amounts of (A) xylooligosaccharide and xylose, (B) cellooligosaccharide and glucose, (C) furfural and (D) 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) at each treatment temperature. Xylooligosaccharides and xylose derived from xylan, which are the main hemicellulose components of beech wood flour, obtained the highest yield at 230 ° C, and cellulooligosaccharides and glucose derived from cellulose at 270 ° C. In addition, furfural, which is considered to be a hemicellulose-derived pentose superdegradation product, rapidly increases in production when it exceeds 230 ° C, and the amount of 5-HMF, which is considered to be a cellulose-derived hexose sugar overdegradation product, increases. Increased above 250 ° C.

上記の結果に基づいて、最も収率よくキシロオリゴ糖やセロオリゴ糖が得られ、かつ過分解物であるフルフラールや5-HMFを最小限とする処理条件として [10 ml / 分の流速にて、230℃/10MPa(15分)、270℃/10MPa(15分)]を設定した。この条件でブナ木粉スラリーを2段階加圧熱水処理し、得られた分解生成物を1段目処理と2段目処理で得られた成分に分けた。さらに、ヘミセルロース由来およびセルロース由来の糖類、糖類の過分解物を木粉ベースの重量%で表した結果を表2に示す。

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Based on the above results, xylooligosaccharides and cellooligosaccharides were obtained in the highest yield, and the processing conditions that minimize the excessively decomposed furfural and 5-HMF were [230 ml at a flow rate of 10 ml / min. ℃ / 10 MPa (15 minutes), 270 ℃ / 10 MPa (15 minutes)]. Under this condition, the beech wood powder slurry was subjected to two-stage pressurized hot water treatment, and the resulting decomposition product was divided into components obtained by the first-stage treatment and the second-stage treatment. Further, Table 2 shows the results of expressing hemicellulose-derived and cellulose-derived saccharides and saccharide hyperdegradation products in terms of weight percent based on wood flour.
Figure 0005498005

ブナ木粉の主要ヘミセルロース成分であるグルクロノキシランの構成糖はキシロース(2)とグルクロン酸(3)であり、本処理で得られたキシロオリゴ糖(1)、キシロース(2)およびグルクロン酸(3)の全収量は木粉ベースで約15%、グルクロノキシランベースで約59%だった。また、そのうちの99%が1段目処理から得られた。一方、セルロース由来と考えられるセロオリゴ糖(8)およびグルコース(9)、さらにグルコースの異性体であるフルクトース(10)、脱水化物であるレボグルコサン(11)は、木粉ベースで34%、セルロースベースで71%得られ、そのうちの86%が2段目処理から得られた。   The constituent sugars of glucuronoxylan, the main hemicellulose component of beech wood flour, are xylose (2) and glucuronic acid (3), and xylooligosaccharide (1), xylose (2) and glucuronic acid (3) obtained by this treatment ) Total yield was about 15% on a wood flour basis and about 59% on a glucuronoxylan basis. 99% of them were obtained from the first stage treatment. On the other hand, cellooligosaccharide (8) and glucose (9), which are thought to be derived from cellulose, fructose (10), which is an isomer of glucose, and levoglucosan (11), which is a dehydrated product, are 34% based on wood flour and cellulose based. 71% were obtained, 86% of which was obtained from the second stage treatment.

さらに図3には、ブナ木粉の主要ヘミセルロース成分であるグルクロノキシラン由来のキシロオリゴ糖(1)、キシロース(2)、グルクロン酸(3)および酢酸(18)と、セルロース由来のセロオリゴ糖(8)、グルコース(9)、さらにグルコースの異性体であるフルクトース(10)、脱水化物であるレボグルコサン(11)の生成量と処理条件との関係を示す。この結果も、230℃(1段目処理)がヘミセルロースの選択的な加水分解領域、270℃(2段目処理)がセルロースの選択的な加水分解領域であることを明確に示している。   Further, FIG. 3 shows that xylooligosaccharides derived from glucuronoxylan (1), xylose (2), glucuronic acid (3) and acetic acid (18), which are the main hemicellulose components of beech wood flour, and cellooligosaccharides derived from cellulose (8 ), Glucose (9), fructose (10), which is an isomer of glucose, and levoglucosan (11), which is a dehydrated product, and the relationship between the treatment conditions. This result clearly shows that 230 ° C. (first stage treatment) is a selective hydrolysis region of hemicellulose and 270 ° C. (second stage treatment) is a selective hydrolysis region of cellulose.

なお、本実施例では木粉ベースで27%存在するリグニン由来物質についての分析は実施しなかったが、31% の未同定物質があり、14%の糖の過分解物も認められた。加水分解処理後の残渣をクラーソンリグニン法で定量した結果、ほぼ100%がリグニンであり、これは木粉ベースで約2.8%、リグニンベースで10%程度。つまり、多糖類であるセルロースとヘミセルロースは100%、芳香族化合物であるリグニンも約90%が本実施例の加圧熱水によって可溶化していると考えられる。本特許では、リグノセルロースを単糖にまで加水分解する必要はなく、オリゴ糖も、次工程の酢酸発酵(実施例2)の基質となることが期待される。   In this example, 27% of the lignin-derived substance present on a wood flour basis was not analyzed, but 31% of the unidentified substance was present, and 14% of the sugar was decomposed. As a result of quantifying the residue after hydrolysis by the Klarson lignin method, almost 100% is lignin, which is about 2.8% based on wood flour and about 10% based on lignin. That is, it is considered that 100% of the polysaccharides and hemicelluloses as polysaccharides and about 90% of the lignin as an aromatic compound are solubilized by the pressurized hot water of this example. In this patent, it is not necessary to hydrolyze lignocellulose to monosaccharides, and oligosaccharides are expected to be substrates for acetic acid fermentation (Example 2) in the next step.

[実施例2−1]
広範な糖類を対象とした酢酸発酵1
以下に示す溶液1、2、3を調製し、オートクレーブで40分間120℃で殺菌、脱気した後、100ml容量のシリンジバイアルに溶液1〜3をそれぞれ10、25、15mlずつ充填して混合し(合計50ml)、これにClostridium thermoaceticum(ATCC39073株)を接種して、60℃のCO2雰囲気下で3日間培養し、前培養液とした。
[Example 2-1]
Acetic acid fermentation for a wide range of sugars 1
Prepare the solutions 1, 2, and 3 shown below, sterilize and deaerate them at 120 ° C for 40 minutes in an autoclave, and then fill and mix 100, 25, and 15 ml of solutions 1 to 3, respectively. (50 ml in total) was inoculated with Clostridium thermoaceticum (ATCC39073 strain) and cultured in a CO 2 atmosphere at 60 ° C. for 3 days to obtain a preculture solution.

次いで溶液4を調製し、同様に殺菌、脱気した後、100ml容量のシリンジバイアルに溶液4を5ml、溶液2を25ml、溶液3を15ml、そして前述の前培養液を5ml充填して合計50mlとし、60℃の CO2雰囲気下で酢酸発酵させた。 Solution 4 is then prepared and sterilized and degassed in the same manner, and then filled into a 100 ml syringe vial with 5 ml of solution 4, 25 ml of solution 2, 15 ml of solution 3, and 5 ml of the above-mentioned pre-culture solution for a total of 50 ml. And acetic acid fermentation in a CO 2 atmosphere at 60 ° C.

溶液1:グルコース10 g、蒸留水100 ml
溶液2:酵母エキス5 g、システイン塩酸塩1水和物0.25 g、硫酸アンモニウム1 g、硫酸マグネシウム7水和物0.25 g、硫酸第一鉄アンモニウム6水和物0.04 g、塩化ニッケル6水和物0.24mg、硫酸亜鉛7水和物0.29mg、亜セレン酸ナトリウム 0.017mg、レサズリン(1%溶液)0.1 ml、蒸留水300 ml
溶液3:水酸化ナトリウム0.415 g、炭酸水素ナトリウム5 g、リン酸二カリウム4.4 g、リン酸二水素カリウム7.5 g、蒸留水150 ml
溶液4:各種糖類10 g、蒸留水100 ml(各種糖類はグルコース、キシロース、マンノース、ガラクトース、アラビノース、フルクトースおよびグルクロン酸)
各試験区から12時間毎に少量の培養液を採取し、各種糖類およびそれら由来の酢酸濃度の推移をHPLCにより分析した結果を図4−1に示す(60時間後まで計測)。いずれの糖も発酵時間の経過とともに減少し、それに伴い酢酸が生成した。マンノース、ガラクトース、アラビノース、グルクロン酸の酢酸発酵は、グルコース、キシロース、フルクトースのそれと比較して、発酵時間が長くなっているが、発酵が進むにつれて糖類が減少し、酢酸が生成している。酢酸発酵時間に差異はあるものの、リグノセルロースから得られると予想される各種単糖類はいずれもC.thermoaceticumによる酢酸発酵の基質となり得ることがこのバッチ式酢酸発酵試験によってわかった。特に、グルコース、キシロース、フルクトースは、いずれも10 g/lの糖から約8 g/lの酢酸が生成しており、変換効率は約80 %と良好であった。また、この酢酸発酵系では水素ガスが発生することも確認しており、生成した水素は次行程(水素化分解)での反応にも利用することが可能である。
Solution 1: 10 g glucose, 100 ml distilled water
Solution 2: Yeast extract 5 g, cysteine hydrochloride monohydrate 0.25 g, ammonium sulfate 1 g, magnesium sulfate heptahydrate 0.25 g, ferrous ammonium sulfate hexahydrate 0.04 g, nickel chloride hexahydrate 0.24 mg, Zinc sulfate heptahydrate 0.29 mg, Sodium selenite 0.017 mg, Resazurin (1% solution) 0.1 ml, Distilled water 300 ml
Solution 3: sodium hydroxide 0.415 g, sodium hydrogen carbonate 5 g, dipotassium phosphate 4.4 g, potassium dihydrogen phosphate 7.5 g, distilled water 150 ml
Solution 4: 10 g of various sugars, 100 ml of distilled water (various sugars are glucose, xylose, mannose, galactose, arabinose, fructose and glucuronic acid)
A small amount of the culture solution is collected every 12 hours from each test section, and the results of analyzing the transition of various saccharides and their acetic acid concentrations by HPLC are shown in Fig. 4-1 (measured until 60 hours later). All sugars decreased with the passage of fermentation time, and acetic acid was produced accordingly. The acetic acid fermentation of mannose, galactose, arabinose, and glucuronic acid has a longer fermentation time than that of glucose, xylose, and fructose. However, as the fermentation progresses, sugars decrease and acetic acid is generated. The batch type acetic acid fermentation test revealed that various monosaccharides expected to be obtained from lignocellulose can be substrates for acetic acid fermentation by C. thermoaceticum, although there are differences in acetic acid fermentation time. In particular, glucose, xylose and fructose all produced about 8 g / l of acetic acid from 10 g / l of sugar, and the conversion efficiency was good at about 80%. Moreover, it has also been confirmed that hydrogen gas is generated in this acetic acid fermentation system, and the generated hydrogen can be used for the reaction in the next step (hydrocracking).

[実施例2−2]
広範な糖類を対象とした酢酸発酵2
以下に示す溶液1、2、3を調製し、オートクレーブで40分間120℃で殺菌、脱気した後、100ml容量のシリンジバイアルに溶液1〜3をそれぞれ10、25、15mlずつ充填して混合し(合計50ml)、これにClostridium thermocellum(ATCC27405株)を接種して、60℃のCO2雰囲気下で3日間培養し、前培養液とした。
[Example 2-2]
Acetic acid fermentation for a wide range of sugars 2
Prepare the solutions 1, 2, and 3 shown below, sterilize and deaerate them at 120 ° C for 40 minutes in an autoclave, and then fill and mix 100, 25, and 15 ml of solutions 1 to 3, respectively. (50 ml in total) was inoculated with Clostridium thermocellum (ATCC27405 strain) and cultured in a CO 2 atmosphere at 60 ° C. for 3 days to obtain a preculture solution.

次いで溶液4を調製し、同様に殺菌、脱気した後、100ml容量のシリンジバイアルに溶液4を5ml、溶液2を25ml、溶液3を15ml、そして前述の前培養液を5ml充填して合計50mlとし、60℃の CO2雰囲気下で酢酸発酵させた。 Solution 4 is then prepared and sterilized and degassed in the same manner, and then filled into a 100 ml syringe vial with 5 ml of solution 4, 25 ml of solution 2, 15 ml of solution 3, and 5 ml of the above-mentioned pre-culture solution for a total of 50 ml. And acetic acid fermentation in a CO 2 atmosphere at 60 ° C.

溶液1:セロビオース5g、蒸留水200 ml
溶液2:酵母エキス4.5 g、グルタチオン0.25 g、硫酸アンモニウム1.3 g、硫酸マグネシウム6水和物0.13 g、硫酸第一鉄7水和物0.0011 g、塩化カルシウム2水和物0.13 g、レサズリン0.001 g、蒸留水500 ml
溶液3:リン酸二水素カリウム1.43 g、リン酸二カリウム3水和物7.2 g、グリセロリン酸ナトリウム6 g、蒸留水300 ml
溶液4:セルロース、セロヘキサオースまたはセロビオース5 g、蒸留水50 ml
各試験区から12時間毎に少量の培養液を採取し、酢酸濃度の推移をHPLCにより分析した結果を図4−2に示す(120時間後まで計測)。多糖であるセルロース、オリゴ糖であるセロヘキサオースおよびセロビオースのいずれの糖を用いた場合でも発酵時間の経過とともに酢酸が生成した。酢酸発酵時間に差異はあるものの、リグノセルロースから得られると予想される代表的な多糖、オリゴ糖であるセルロースおよびセロオリゴ糖はいずれもC.thermocellumによる酢酸発酵の基質となり得ることがこのバッチ式酢酸発酵試験によってわかった。このことは、実施例1に記載の加圧熱水処理において、リグノセルロースを単糖にまで加水分解する必要はないことを示している。
Solution 1: 5 g of cellobiose, 200 ml of distilled water
Solution 2: Yeast extract 4.5 g, glutathione 0.25 g, ammonium sulfate 1.3 g, magnesium sulfate hexahydrate 0.13 g, ferrous sulfate heptahydrate 0.0011 g, calcium chloride dihydrate 0.13 g, resazurin 0.001 g, distilled 500 ml of water
Solution 3: potassium dihydrogen phosphate 1.43 g, dipotassium phosphate trihydrate 7.2 g, sodium glycerophosphate 6 g, distilled water 300 ml
Solution 4: Cellulose, cellohexaose or cellobiose 5 g, distilled water 50 ml
A small amount of the culture solution is collected every 12 hours from each test section, and the results of analyzing the transition of acetic acid concentration by HPLC are shown in Fig. 4-2 (measured until 120 hours later). Acetic acid was produced over the course of fermentation time when any of the polysaccharides cellulose and oligosaccharides cellohexaose and cellobiose were used. Although there are differences in acetic acid fermentation time, the typical polysaccharides expected to be obtained from lignocellulose, cellulose and cellooligosaccharides, which are oligosaccharides, can all be substrates for acetic acid fermentation by C. thermocellum. It was found by fermentation test. This indicates that it is not necessary to hydrolyze lignocellulose to a monosaccharide in the pressurized hot water treatment described in Example 1.

[実施例2−3]
ギ酸および乳酸の酢酸発酵
実施例2に記載の方法において、溶液4の各種糖類10 gをギ酸または乳酸1gとしてギ酸と乳酸に対する酢酸発酵を行った。
[Example 2-3]
Acetic acid fermentation of formic acid and lactic acid In the method described in Example 2, 10 g of various saccharides in solution 4 were subjected to acetic acid fermentation with formic acid and lactic acid using 1 g of formic acid or lactic acid.

各試験区から少量の培養液を採取し、ギ酸、乳酸および酢酸濃度の推移をHPLCにより分析した結果を図4−3に示す(120時間後まで計測)。(a)はギ酸での結果を示しているが、発酵により乳酸と酢酸が生成することが分かる。しかし、酢酸は発酵時間の経過とともに増加しているが、乳酸は発酵が進むにつれて減少する傾向が見られた。(b)は乳酸での結果を示しているが、乳酸が酢酸に変換されていることが分かる。これらの結果から、実施例2−2で述べた、C.thermocellumによる酢酸発酵で副生するギ酸および乳酸は、C.thermoaceticumを併用すれば全て酢酸へと変換されうると考えられる。   A small amount of culture solution was collected from each test section, and the results of HPLC analysis of the transition of formic acid, lactic acid and acetic acid concentrations are shown in FIG. 4-3 (measured until 120 hours later). (a) shows the results with formic acid, but it can be seen that lactic acid and acetic acid are produced by fermentation. However, acetic acid increased with the passage of fermentation time, but lactic acid tended to decrease as fermentation progressed. (b) shows the result with lactic acid, but it can be seen that lactic acid is converted to acetic acid. From these results, it is considered that formic acid and lactic acid by-produced by acetic acid fermentation by C. thermocellum described in Example 2-2 can all be converted to acetic acid when C. thermoaceticum is used in combination.

[実施例2−4]
C. thermoaceticum、C.thermocellum混合系での酢酸発酵
実施例2に記載の方法により、C. thermoaceticumの前培養液(以下、培養液1と呼ぶ)を調製した。実施例2−2に記載の方法によりC.thermocellumの前培養液(以下、培養液2と呼ぶ)を調製した。
[Example 2-4]
Acetic acid fermentation in a mixed system of C. thermoaceticum and C. thermocellum By the method described in Example 2, a preculture solution of C. thermoaceticum (hereinafter referred to as culture solution 1) was prepared. A pre-culture solution of C. thermocellum (hereinafter referred to as culture solution 2) was prepared by the method described in Example 2-2.

次いで溶液5を調製し、殺菌、脱気した100ml容量のシリンジバイアルに溶液5を5ml、実施例2に記載の溶液2を25ml、溶液3を15ml、そして前述の前培養液1を2.5ml、前培養液2を2.5ml充填して合計50mlとし、60℃の N2雰囲気下で酢酸発酵させた。 Solution 5 is then prepared, sterilized and degassed into a syringe vial of 100 ml capacity, 5 ml of solution 5, 25 ml of solution 2 described in Example 2, 15 ml of solution 3, and 2.5 ml of the aforementioned preculture 1 A total of 50 ml was filled with 2.5 ml of the preculture 2 and subjected to acetic acid fermentation in an N 2 atmosphere at 60 ° C.

溶液5:セルロース10 g、蒸留水100 ml
各試験区から少量の培養液を採取し、酢酸濃度の推移をHPLCにより分析した結果を図4−4に示す(120時間後まで計測)。発酵時間の経過とともに酢酸が生成していた。また、副生成物である乳酸は発酵時間の経過とともに完全に消費されていた。この混合発酵系の酢酸変換経路は図4−5のように理解しうる。セルロースを基質としうるC.thermocellumが、セルロースをグルコースへと変換しさらに酢酸、ギ酸、乳酸、エタノールおよび少量の水素、二酸化炭素へと変換していくが(実施例2−2)、共存するC.thermoaceticumが生成したグルコース、ギ酸、乳酸を酢酸へと変換するため(実施例2および2−3)、高効率でセルロースを酢酸へと変換し得たものと考えられる。C. thermoaceticum、C.thermocellum混合発酵系は、広範な糖類を酢酸へと変換しうる優れた発酵系であるといえる。
Solution 5: 10 g cellulose, 100 ml distilled water
A small amount of the culture solution is collected from each test section, and the results of analyzing the transition of acetic acid concentration by HPLC are shown in Fig. 4-4 (measured until 120 hours later). Acetic acid was produced over the course of the fermentation time. In addition, lactic acid as a by-product was completely consumed over the course of fermentation time. The acetic acid conversion pathway of this mixed fermentation system can be understood as shown in FIG. C. thermocellum, which can use cellulose as a substrate, converts cellulose into glucose and further converts into acetic acid, formic acid, lactic acid, ethanol and a small amount of hydrogen and carbon dioxide (Example 2-2), but coexisting C In order to convert glucose, formic acid and lactic acid produced by .thermoaceticum into acetic acid (Examples 2 and 2-3), it is considered that cellulose could be converted into acetic acid with high efficiency. C. thermoaceticum and C. thermocellum mixed fermentation systems can be said to be excellent fermentation systems capable of converting a wide range of sugars into acetic acid.

[実施例3]
無触媒による酢酸のエステル化
インコネル製5mlバッチ型反応管にモル比1:1でエタノールと酢酸を入れて反応管を密閉した後、スズ浴槽にて270℃、20分の処理を行った。得られた処理物をHPLC分析したところ酢酸エチルが生成していることを確認した。なお、反応系は触媒を何も加えていない無触媒系であり、これにより超臨界エタノールによるエステル化反応が確認された。HPLC分析の結果を図5のHPLCクロマトグラムに示す(HPLCクロマトグラムの処理条件:270℃/20分/モル比1:1、カラム:Ultron PS-80P、移動相:水1ml/min、検出器:RID)。
[Example 3]
Non-catalyzed esterification of acetic acid After injecting ethanol and acetic acid at a molar ratio of 1: 1 to an Inconel 5 ml batch type reaction tube, the reaction tube was sealed, and then treated in a tin bath at 270 ° C. for 20 minutes. The obtained processed product was analyzed by HPLC, and it was confirmed that ethyl acetate was produced. The reaction system was a non-catalytic system to which no catalyst was added, thereby confirming the esterification reaction with supercritical ethanol. The results of the HPLC analysis are shown in the HPLC chromatogram in FIG. 5 (HPLC chromatogram processing conditions: 270 ° C./20 min / molar ratio 1: 1, column: Ultron PS-80P, mobile phase: water 1 ml / min, detector) : RID).

[実施例4]
酢酸エチルの接触水素添加によるエタノールへの変換
銅−亜鉛系触媒(Cu/Zn = 48/44、w/w、30〜100メッシュ、1.7 g)をインコネル製反応管に詰め、N2 (60ml/min)/ 250℃/ 0.1 MPa/ 2時間の条件でか焼した後に、雰囲気をH2 (30ml/min) + N2 (30ml/min)、H2 (60ml/min)に変化させてそれぞれ2時間加熱処理を行い、触媒を活性化した。そこに、酢酸エチル (0.01〜0.11 ml/min, 酢酸エチル/ H2 = 1:4) を送液ポンプで導入することで酢酸エチルの接触水素添加を行った。凝集・回収した液体生成物について、GCを用いてエタノールおよび酢酸エチルの定量分析を行った[GCの条件:カラム:Shimadzu CBP-5 (25m x 0.25mmΦ)、キャリアガス:He (1.5 ml/min)、カラム温度:40℃ (0-12min), 40→150℃ (12-15min)、インジェクタ温度:250℃]。図6に示すように反応の選択性は非常に高く、回収液体中に酢酸エチルとエタノール以外の成分はほとんど検出されなかった。反応温度、圧力とエタノール収量との関係を図7に示すが、反応圧が上昇する程、エタノールへの変換効率は向上し、反応温度は250℃が適当であることがわかった。なお、250℃/ 2 MPaの条件でのエタノールへの変換効率は80%以上であり、同様の条件下で30メッシュ以下の触媒を用いた場合の変換効率は99.7%であった。
[Example 4]
Conversion of ethyl acetate to ethanol by catalytic hydrogenation Copper-zinc catalyst (Cu / Zn = 48/44, w / w, 30-100 mesh, 1.7 g) was packed into an Inconel reaction tube and N 2 (60 ml / min) /250°C/0.1 MPa / 2 hours after calcination, change the atmosphere to H 2 (30 ml / min) + N 2 (30 ml / min), H 2 (60 ml / min) Heat treatment was performed for a period of time to activate the catalyst. Thereto, ethyl acetate (0.01 to 0.11 ml / min, ethyl acetate / H 2 = 1: 4) was introduced with a liquid feed pump to perform catalytic hydrogenation of ethyl acetate. Quantitative analysis of ethanol and ethyl acetate was performed on the aggregated and recovered liquid product using GC [GC conditions: column: Shimadzu CBP-5 (25 m x 0.25 mmΦ), carrier gas: He (1.5 ml / min ), Column temperature: 40 ° C. (0-12 min), 40 → 150 ° C. (12-15 min), injector temperature: 250 ° C.]. As shown in FIG. 6, the selectivity of the reaction was very high, and almost no components other than ethyl acetate and ethanol were detected in the recovered liquid. The relationship between the reaction temperature and pressure and the ethanol yield is shown in FIG. 7. As the reaction pressure increased, the conversion efficiency to ethanol was improved, and it was found that a reaction temperature of 250 ° C. was appropriate. The conversion efficiency to ethanol under the condition of 250 ° C./2 MPa was 80% or more, and the conversion efficiency when using a catalyst of 30 mesh or less under the same conditions was 99.7%.

[実施例5]
酢酸からのワンポット接触水素添加によるエタノール製造
実施例3では、酢酸とエタノールを高温、高圧に保つことで、無触媒で酢酸エチルが生成することが示された。実施例4の酢酸エチルの接触水素添加の条件が高温、高圧条件であることから、酢酸のエステル化と接触水素添加をワンポットで連続的に行うことが可能である。このような背景から、図8に示す装置を考案した。すなわち、まず、酢酸とエタノールを高温・高圧に保つことでエステル化を進行させ、次いで、その後流側で触媒層[銅−亜鉛系触媒(Cu/Zn = 48/44、w/w、1.7 g)を通過させる。このような系で実験した結果、エタノールへの変換が進行することが確認された。
[Example 5]
Ethanol production by one-pot catalytic hydrogenation from acetic acid In Example 3, it was shown that ethyl acetate was produced without catalyst by keeping acetic acid and ethanol at high temperature and high pressure. Since the conditions for catalytic hydrogenation of ethyl acetate in Example 4 are high temperature and high pressure conditions, it is possible to continuously perform esterification of acetic acid and catalytic hydrogenation in one pot. From such a background, the apparatus shown in FIG. 8 was devised. That is, first, esterification proceeds by maintaining acetic acid and ethanol at a high temperature and high pressure, and then the catalyst layer [copper-zinc catalyst (Cu / Zn = 48/44, w / w, 1.7 g) on the downstream side. ). As a result of experiments in such a system, it was confirmed that the conversion to ethanol proceeded.

半流通型の2段階加圧熱水処理装置の模式図Schematic diagram of a semi-circulating two-stage pressurized hot water treatment device 半流通型装置を用いた、1段階での加圧熱水処理における各温度での(A)キシロースおよびキシロオリゴ糖、(B)グルコースおよびセロオリゴ糖、(C)フルフラール、(D)5-HMFの収量変化(木粉ベースの重量%)(A) xylose and xylooligosaccharides, (B) glucose and cellooligosaccharides, (C) furfural, (D) 5-HMF at each temperature in one-stage pressurized hydrothermal treatment using a semi-flow type device Change in yield (% by weight based on wood flour) 2段階加圧熱水処理(圧力:10 MPa)の温度条件と分解生成物(グルクロノキシランおよびセルロース由来の糖類)収量(木粉ベースの重量%)Two-stage pressurized hot water treatment (pressure: 10 MPa) temperature conditions and decomposition products (sugars derived from glucuronoxylan and cellulose) yield (% by weight based on wood flour) 各糖のClostridium thermoaceticumを用いた酢酸発酵での糖と酢酸の濃度変化Changes in sugar and acetic acid concentrations during acetic acid fermentation using Clostridium thermoaceticum for each sugar 多糖、オリゴ糖のClostridium thermocellumを用いた酢酸発酵での各種有機酸の濃度変化Concentration change of various organic acids in acetic acid fermentation using polysaccharide and oligosaccharide Clostridium thermocellum ギ酸および乳酸のC. thermoaceticumを用いた酢酸発酵での各種有機酸の濃度変化Changes in concentrations of various organic acids in acetic acid fermentation of formic acid and lactic acid using C. thermoaceticum C. thermoaceticum、C.thermocellum混合系によるセルロースの酢酸発酵での各種有機酸の濃度変化Changes in concentration of various organic acids during acetic acid fermentation of cellulose by C. thermoaceticum and C. thermocellum mixed systems C.thermoaceticum、C.thermocellum混合発酵系における酢酸変換経路Acetic acid conversion pathway in C. thermoaceticum and C. thermocellum mixed fermentation systems エステル化反応を示すHPLCクロマトグラムHPLC chromatogram showing esterification reaction 接触水素添加処理後のGC分析結果の一例(250℃/ 2MPa)Example of GC analysis results after catalytic hydrogenation treatment (250 ℃ / 2MPa) 酢酸エチルの接触水素添加における反応温度、圧力の影響Effects of reaction temperature and pressure on catalytic hydrogenation of ethyl acetate 酢酸からのワンポット接触水素添加装置の概要Overview of one-pot catalytic hydrogenation equipment from acetic acid

Claims (6)

加圧熱水処理によりリグノセルロースを加水分解する工程と、
前記加水分解する工程で生成したリグノセルロースの分解生成物を酢酸に転換する工程と、
前記酢酸をエステル化して酢酸エチルを得る工程と、
前記酢酸エチルを水素化分解してエタノールを得る工程と、
を有し、
前記リグノセルロースの分解生成物を酢酸に転換する工程は、Clostridium thermocellumとClostridium thermoaceticumとを共存させて、前記Clostridium thermocellumによって前記リグノセルロースの分解生成物に含まれるオリゴ糖を分解すると共に、前記Clostridium thermoaceticumによって前記オリゴ糖の分解物及び前記リグノセルロースの分解生成物のうち前記オリゴ糖以外のものを酢酸に転換す
アルコール類の製造方法。
Hydrolyzing lignocellulose by pressurized hot water treatment ;
A step of converting the degradation products of lignocellulose produced by the hydrolyzing step in acetic acid,
Obtaining a ethyl acetate by esterifying the acetic acid,
Obtaining a ethanol the ethyl acetate by hydrogenolysis,
Have
The step of converting the degradation product of lignocellulose into acetic acid coexists with Clostridium thermocellum and Clostridium thermoaceticum to decompose the oligosaccharide contained in the degradation product of lignocellulose by the Clostridium thermocellum, and the Clostridium thermoaceticum method for producing an alcohol you convert other than the oligosaccharide acetate of decomposition products and decomposition products of the lignocellulose of the oligosaccharide by.
前記リグノセルロースの分解生成物は、ヘミセルロース由来の糖類、セルロース由来の糖類、これらの過分解物、有機酸及びリグニン由来の分解物を含む
請求項1記載のアルコール類の製造方法。
The method for producing an alcohol according to claim 1 , wherein the degradation product of lignocellulose includes hemicellulose-derived saccharides, cellulose-derived saccharides, hyperdegradation products thereof, organic acids, and degradation products derived from lignin. .
前記加水分解する工程は、加圧熱水処理を、140〜230℃の加圧熱水によりヘミセルロースを分解する前段処理と、230〜300℃の範囲でかつ前記前段処理よりも高温の加圧熱水によりセルロースを分解する後段処理の2段階で行う
請求項1又は2に記載のアルコール類の製造方法。
The hydrolyzing step includes a pressurized hot water treatment, a pre-treatment for decomposing hemicellulose with 140-230 ° C. pressurized hot water, and a pressurized heat in the range of 230-300 ° C. and higher than the pre-treatment. The method for producing an alcohol according to claim 1 or 2, which is carried out in two stages of a subsequent process of decomposing cellulose with water .
前記加圧熱水処理の前に、前記リグノセルロースからリグニンを除去する脱リグニン処理を行う
請求項1〜のいずれか1項に記載のアルコール類の製造方法。
The method for producing an alcohol according to any one of claims 1 to 3 , wherein a delignification treatment for removing lignin from the lignocellulose is performed before the pressurized hot water treatment .
過酢酸又は酢酸を用いて脱リグニン処理する
請求項4に記載のアルコール類の製造方法。
The method for producing an alcohol according to claim 4, wherein the delignification treatment is performed using peracetic acid or acetic acid .
前記加水分解する工程においてキノン化合物を添加する
請求項4に記載のアルコール類の製造方法。
The method for producing an alcohol according to claim 4, wherein a quinone compound is added in the hydrolysis step .
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